La evolución descrita por la segunda ley de la termodinámica

Observando la evolución como el movimiento de flujos de energía hacia un estado estacionario (entropía), la evolución puede explicarse mediante la segunda ley de la termodinámica, una ley que convencionalmente describe sistemas físicos. En esta imagen, un guepardo sirve como mecanismo de transferencia de energía, y las mutaciones beneficiosas permiten al animal transferir más energía dentro de su entorno, ayudando a nivel la energía. Crédito de la imagen: Rob Qld.

A menudo, físicos y biólogos parece de mundos distintos, desde un punto de vista científico. Cada disciplina tiene su propio lenguaje y conceptos, y los físicos y biólogos tienden a observar el mundo de diferentes formas – no siendo el menor sus perspectivas animadas e inanimadas.

Pero en el fondo estas dos ciencias tienen el concepto de movimiento. Cuando un ecosistema biológico evoluciona mediante el proceso de selección natural, dispersa energía, incrementa la entropía y se mueve hacia un estado estacionario con respecto a sus alrededores. De forma similar, cuando la energía fluye en distintos fenómenos físicos, también causan que un sistema biológico se mueva hacia un estado estacionario con respecto a sus alrededores, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Si es un objeto animado o inanimado, la ciencia no hace distinción. En ambos casos, la energía fluye hacia un estado estacionario, o estado de equilibrio, en ausencia de una fuente externa de alta energía.

De esta forma, explican Ville Kaila y Arto Annila de la Universidad de Helsinki, la segunda ley de la termodinámica puede ser escrita como una ecuación de movimiento para describir la evolución, y, haciendo esto, conectar la biología con la física. Su estudio, “Selección natural para acción mínima”, se publicó en Proceedings of The Royal Society A.

La segunda ley de la termodinámica, la cual afirma que la energía de un sistema tienda a equilibrarse con la de su alrededor (“la entropía de un sistema siempre se incrementa”), puede expresarse de formas muy distintas. Kaila y Annila se centra en dos de estas formas. Cuando se escribe como ecuación diferencial de movimiento, la segunda ley puede describir la evolución como un proceso de transferencia de energía: la selección natural tiende a favorecer las mutaciones aleatorias que llevan a un incremento de entropía más rápido en un ecosistema. Cuando se escribe de forma integral, la segunda ley describe el principio de acción mínima: el movimiento, en general toma el camino de menor energía.

Entonces, los científicos mostraron cómo la selección natural y el principio de acción mínima puede conectarse expresando selección natural en términos de termodinámica química. Como explican los científicos, la naturaleza explora muchos posibles caminos para equilibrar las diferencias en densidades de energía, con un tipo de mecanismo de transferencia de energía distinto para cada especie dentro del sistema mayor de la Tierra.

Los mecanismos de transducción de energía, especialmente en especies biológicas, pueden ser intrincados y complejos. Mutando aleatoriamente individuos de especies, se exploran distintos caminos en la búsqueda incrementar la entropía más rápidamente. Estas mutaciones más tarde o más temprano convergen de forma natural en el camino más probable. Aunque el paisaje de energía se mantiene cambiante, el camino más probable siempre es el más corto y el que sigue los descensos de energía más pronunciados. Esto lleva a un estado estacionario, tal como un ecosistema que evoluciona hacia un estado que tendrá sólo la cantidad adecuada de plantas, hervíboros y otros mecanismos de transferencia de energía (tanto vivos como inertes) para mantener los mayores índices de dispersión de energía.

“En un contexto biológico, cuando dos especies similares (es decir, mecanismos de transducción de energía) compiten por la misma fuente de energía (por ejemplo comida), aquel con mecanismos aún ligeramente más efectivos (por ejemplo garras, dientes, pies, etc.) captura más que otro”, explica Annila a PhysOrg.com. “Gradualmente, la población de las especies más efectivas se incrementará a expensas del resto. El proceso global está descrito como flujos de energía que gradualmente y de forma natural selecciona los caminos más directos y efectivos. En biología, esta consecuencia física, que puede deducirse del criterio de estabilidad de Lyapunov, es conocido como principio de exclusión competitivo.

“Supongamos que una mutación mejora la velocidad de un guepardo”, añade como ejemplo. “Por consiguiente, este guepardo capturará más comida, es decir, más energía se canalizará a través de este individuo – el camino se ha hecho más directo. De la misma forma, una mutación deletérea reducirá el flujo a través del camino particular que ha resultado menos directo. En este caso, los caminos no mutados son rivalidades prósperas, y disfrutará de los correspondientes flujos mayores debidos a la competitividad disminuida”.

Los investigadores apuntan que esta descripción abstracta proporciona una visión holística de naturaleza en evolución, no una explicación detallada de cómo surgen especies concretas a partir de este proceso. Por ejemplo, las especies hervíboras distribuyen la energía solar adquirida mediante la fotosíntesis, y el guepardo, como carnívoro, dispersa aún más la energía a lo largo de gradientes en la cadena alimenticia, que finalmente termina en espacio frío. Y dado que estos flujos de energía generan y afectan a los mecanismos de transferencia de energía que, a su vez alteran los flujos, es virtualmente imposible predecir el siguiente movimiento de la evolución.

“Un sistema evoluciona para alcanza un estado estacionario con respecto a sus alrededores”, explicó Annila. “Es decir, cuando el entorno de alrededor es de alta energía, el sistema evolucionará a un estado estacionario de alta energía. La materia en la Tierra ha evolucionado a lo largo de eones incrementando su contenido de energía para igualar el de la densidad de radiación solar. Durante este proceso, los mecanismos de transducción de energía han mejorado, pero presumiblemente aún hay formas de captar más luz solar para alimentar actividades que están actualmente impulsadas por no renovables”.

La idea de usar la segunda ley de la termodinámica para describir la evolución no es nueva. Ya en 1899, el físico Ludwig Boltzmann, un gran admirador de Darwin, ya contemplaba esta conexión. También, Alfred J. Lotka, en su trabajo principal publicado en 1925, expresó una confianza total en que los sistemas bióticos siguen el mismo imperativo universal. Muchos científicos han reconocido hoy los principios de incrementos de entropía como forma de comprender la vida. La conexión entre el incremento de entropía y decremento de energía libre, proporcionado por Kaila y Annila a través del principio de acción mínima, ha reforzado más la descripción de movimientos naturales.


Más información: Kaila, Ville R. I. and Annila, Arto. “Natural selection for least action.” Proceedings of The Royal Society A. doi:10.1098/rspa.2008.0178.

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 11 de agosto de 2008
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Comments (9)

  1. La evolución descrita por la segunda ley de la termodinámica…

    A menudo, físicos y biólogos parece de mundos distintos, desde un punto de vista científico. Cada disciplina tiene su propio lenguaje y conceptos, y los físicos y biólogos tienden a observar el mundo de diferentes formas – no siendo el menor sus…

  2. [...] traducido y posteado en Ciencia Kanija. El original apareció en Physorg y su autora es Lisa [...]

  3. [...] 12, 2008 Leo en Ciencia kanija una interesante traducción titulada  La evolución descrita por la segunda ley de la termodinámica en donde Ville Kaila y Arto Annila de la Universidad de Helsinki tratan de explicar que la segunda [...]

  4. mvr1981

    Y yo que pensaba que la vida era una forma de retener la energia impidiendo que simplemente se dispersara en el vacio del espacio….

  5. krakrenon

    Ya…pero esto no explicaria la evolucion del hombre hacia la inteligencia de hoy dia.

    Explicaria solo la evolucion de los animales respecto a su medio ambiente.

    El hombre es al contrario en todo caso a usado la energia del medio para equilibrarse el mismo,sin poseerla.

  6. Chinger

    Y yo que pensaba que era todo lo contrario

  7. O.o … mi prof. de Ecología nos hiso una pregunta q no entendí.. ni termino d entender hasta ahorita: ” Por qué aparentemente el hombre No obedece la Segunda Ley de la Termodinámica”

    despues d eso… to2 reprobamos la unidad… -.-

    alquien sabe a qué se refiere??? ó.o

    salu2 a to2
    xoxo

  8. Manlio E. Wydler

    El artículo muestra las formas más eficientes de, por ejemplo, una especie exprese su dominio en el conjunto. la manera más directa de dispersar la energía, de mantener el equilibrio en los sistemas.

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